La dynamique d’une structure peut être vue aussi bien en termes de modes (ondes stationnaires) qu’en termes d’ondes élastiques libres. Les approches modales sont largement utilisées en mécanique et de nombreuses techniques de réduction de modèles (Model Order Reduction - MOR) ont été développées dans ce cadre. Quant à la dynamique des structures périodiques, les approches propagatives sont majoritairement utilisées, où la périodicité est exploitée en utilisant la théorie de Bloch. Pour les structures périodiques complexes, plusieurs techniques MOR sur la base d’onde ont été proposées dans la littérature. Dans ce travail, une approche couplée propagative et modale a été développée pour étudier la propagation des ondes dans les structures périodiques. Cette approche commence par la description modale d’une cellule unitaire (échelle mésoscopique) en utilisant la synthèse modale (Component Mode Synthesis - CMS). Par la suite, la méthode propagative - Wave Finite Element Method (WFEM) est appliquée sur la structure (échelle macroscopique). Cette méthode est nommée “CWFEM” pour CondensedWave Finite Element Method. Elle combine les avantages de la CMS et WFEM. La CMS permet d’analyser le comportement local d’en extraire une base réduite. La WFEM exploite la périodicité de la structure d’en extraire les paramètres de propagation. Ainsi, l’analyse de la propagation des ondes dans la structure à l’échelle macroscopique peut être réalisée en prenant en compte l’échelle mésoscopique. L’efficacité de la CWFEM est illustrée par de nombreuse applications aux structures périodiques monodimensionnelle (1D) et bidimensionnelle (2D). Le critère de réduction optimale assurant la convergence est discuté. Les caractéristiques de propagation dans les structures périodiques sont identifiées: bande passante, bande interdite, la directivité marquée (wave beaming effects), courbe de dispersion, band structure, surface des lenteurs... Ces propriétés peuvent répondre au besoin de conception des barrières vibroacoustiques, pièges à ondes. La CWFEM est ensuite appliquée pour étudier la propagation des ondes dans des plaques perforées et plaques raidies. Une méthode d’homogénéisation pour déterminer le modèle équivalent de la plaque perforée est proposée. Les comportements à haute fréquence tels que la directivité marquée sont également prédits par CWFEM. Trois modèles de plaques avec perforations différentes sont étudiées dans ce travail. Une validation expérimentale est effectuée sur deux plaques. Pour la plaque raidie, l’influence des modes internes sur la propagation globale est discutée. La densité modale est estimée, en moyenne et haute fréquences, pour une plaque raidie finie, où une bonne corrélation est obtenue en comparant les résultats à l’issue des analyses modales. / Structural dynamics can be described in terms of structural modes as well as elastic wave motions. The mode-based methods are widely applied in mechanical engineering and numerous model order reduction (MOR) techniques have been developed. When it comes to the study of periodic structures, wave description is mostly adopted where periodicity is fully exploited based on the Bloch theory. For complex periodic structures, several MOR techniques conducted on wave basis have been proposed in the literature. In this work, a wave and modal coupled approach is developed to study the wave propagation in periodic structures. The approach begins with the modal description of a unit cell (mesoscopic scale) using Component Mode Synthesis (CMS). Subsequently, the wave-based method -Wave Finite Element Method (WFEM) is applied to the structure (macroscopic scale). The method is referred as “CWFEM” for Condensed Wave Finite Element Method. It combines the advantages of CMS and WFEM. CMS enables to analyse the local behaviour of the unit cell using a reduced modal basis. On the other hand, WFEM exploits fully the periodic propriety of the structure and extracts directly the propagation parameters. Thus the analysis of the wave propagation in the macroscopic scale waveguides can be carried out considering the mesoscopic scale behaviour. The effectiveness of CWFEM is illustrated via several one-dimensional (1D) periodic structures and two-dimensional (2D) periodic structures. The criterion of the optimal reduction to ensure the convergence is discussed. Typical wave propagation characteristics in periodic structures are identified, such as pass bands, stop bands, wave beaming effects, dispersion relation, band structure and slowness surfaces...Their proprieties can be applied as vibroacoustics barriers, wave filters. CWFEM is subsequently applied to study wave propagation characteristics in perforated plates and stiffened plate. A homogenization method to find the equivalent model of perforated plate is proposed. The high frequency behaviours such as wave beaming effect are also predicted by CWFEM. Three plate models with different perforations are studied. Experimental validation is conducted on two plates. For the stiffened plate, the influence of internal modes on propagation is discussed. The modal density in the mid- and high- frequency range is estimated for a finite stiffened plate, where good correlation is obtained compared to the mode count from modal analysis.

During its mission, a launch vehicle is subject to broadband, severe, aeroacoustic and structure-borne excitations of various provenances, which can endanger the survivability of the payload and the vehicles electronic equipment, and consequently the success of the mission. Aerospace structures are generally characterized by the use of exotic composite materials of various configurations and thicknesses, as well as by their extensively complex geometries and connections between different subsystems. It is therefore of crucial importance for the modern aerospace industry, the development of analytical and numerical tools that can accurately predict the vibroacoustic response of large, composite structures of various geometries and subject to a combination of aeroacoustic excitations. Recently, a lot of research has been conducted on the modelling of wave propagation characteristics within composite structures. In this study, the Wave Finite Element Method (WFEM) is used in order to predict the wave dispersion characteristics within orthotropic composite structures of various geometries, namely flat panels, singly curved panels, doubly curved panels and cylindrical shells. These characteristics are initially used for predicting the modal density and the coupling loss factor of the structures connected to the acoustic medium. Subsequently the broad-band Transmission Loss (TL) of the modelled structures within a Statistical Energy Analysis (SEA) wave-context approach is calculated. Mainly due to the extensive geometric complexity of structures, the use of Finite Element(FE) modelling within the aerospace industry is frequently inevitable. The use of such models is limited mainly because of the large computation time demanded even for calculations in the low frequency range. During the last years, a lot of researchers focus on the model reduction of large FE models, in order to make their application feasible. In this study, the Second Order ARnoldi (SOAR) reduction approach is adopted, in order to minimize the computation time for a fully coupled composite structural-acoustic system, while at the same time retaining a satisfactory accuracy of the prediction in a broadband sense. The system is modelled under various aeroacoustic excitations, namely a diffused acoustic field and a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation. Experimental validation of the developed tools is conducted on a set of orthotropic sandwich composite structures. Initially, the wave propagation characteristics of a flat panel are measured and the experimental results are compared to the WFEM predictions. The later are used in order to formulate an Equivalent Single Layer (ESL) approach for the modelling of the spatial response of the panel within a dynamic stiffness matrix approach. The effect of the temperature of the structure as well as of the acoustic medium on the vibroacoustic response of the system is examined and analyzed. Subsequently, a model of the SYLDA structure, also made of an orthotropic sandwich material, is tested mainly in order to investigate the coupling nature between its various subsystems. The developed ESL modelling is used for an efficient calculation of the response of the structure in the lower frequency range, while for higher frequencies a hybrid WFEM/FEM formulation for modelling discontinuous structures is used.

Dans ce travail, une méthode basée sur les éléments finis ondulatoires - Wave Finite Elements (WFE) - est proposée en vue de prédire le rayonnement acoustique de conduites axisyrnétriques de longueur finie, comportant un fluide interne, et immergées dans un fluide acoustique de dimensions infinies. La condition de rayonnement de Sommerfeld est prise en compte en entourant le fluide extérieur d'un perfectly matched layer (PML), c'est-à-dire une couche d'éléments absorbants dans laquelle les ondes acoustiques incidentes sont progressivement amorties. Dans le cadre de l'approche WFE, la conduite, le fluide qu'elle contient, le fluide extérieur et le PML constituent un guide d'ondes multiphysique qui est discrétisé par un maillage éléments finis périodique, et peut être ainsi modélisé comme un assemblage de sous-systèmes identiques de faible longueur. Une base d'ondes se propageant le long de la conduite, calculée à partir du modèle éléments finis d'un sous-système, est utilisée afin de prédire le comportement vibroacoustique de guides d'ondes de longueur finie à moindre coût. Des simulations numériques sont réalisées pour des cas de conduites de structure homogène ou multi-couches. La précision et l'efficacité de la méthode WFE sont clairement établies en comparaison avec la méthode des éléments finis conventionnelle. / In this work, a wave finite element (WFE) method is proposed to predict the sound radiation of finite axisymmetric fluid-filled pipes immersed in an external acoustic fluid of infinite extent, The Sommerfeld radiation condition is taken into account by means of a perfectly matched layer (PML) around the external fluid. Within the WFE framework, the fluid-filled pipe, the surrounding fluid and the PML constitute a multiphysics waveguide that is discretized by means of a periodic finite element mesh, and is treated as an assembly of identical subsystems of small length. Wave modes are computed from the FE model of a multi-physics subsystem and used as a representation basis to assess the vibroacoustic behavior of the finite waveguide at a low computational cost. Numerical experiments are carried out in the cases of axisymmetric pipes of either homogeneous or multi-layered crosssections, The accuracy and efficiency of the proposed approach are dearly highlighted in comparison with the conventional FE method.

Plusieurs industries manipulent des substances liquides et gazeuses qui circulent souvent dans de longues canalisations. La technique d'ondes guidées est couramment utilisée dans ce domaine. Cette technique est en progrès continu. Dans cette thèse, un système d'inspection a été conçu et développé. Il est basé sur des transducteurs piézoélectriques qui génèrent des ondes guidées de torsion pouvant se propager le long du tube testé. Les signaux réfléchis des défauts et singularités rencontrés sont détectés aussi par des capteurs piézoélectriques. Des simulations numériques utilisantpar la méthode d'éléments finis standard et la méthode Wave Finite Element(WFEM) ont été effectuées afin de vérifier et de visualiser le phénomène de propagation des ondes dans des tubes intacts et endommagés. Un ensemble de tests a été mis en place sur des tubes droits et courbés avec deux matériaux différents: PVC et acier. L'interaction entre les ondes générées et les défauts usinés a été prouvée.Les résultats numériques et expérimentaux confirment certaines caractéristiques spécifiques concernant le coefficient de réflexion de l'onde. Par la suite, un pipeline industriel d'environ soixante mètres de long et contenant plusieurs défauts et singularités a été testé par le système d'inspection. Les signaux enregistrés ont soumis certains traitements numériques afin de les rendre exploitables. Les signaux traités sont analysés afin d'identifier et de distinguer les réflexions des défauts de celles des singularités structurés. La méthode WFEM a été employée pour construire une base de données numérique des coefficients de réflexion en variant la profondeur et les extensions axiale et circonférentielle du défaut modélisé. Le calcul a été établi en fonction de la fréquence. La corrélation des tailles des défauts est effectuée en balayant la base de données numérique pour trouver la combinaison appropriée de dimensions pour un défaut donné. Les réflexions à partir des singularités structurées (coudes, blocs de béton, colliers, et les soudures) sont traitées ainsi en comparant des coefficients de réflexion obtenus par WFEM à ceux évalués expérimentalement. Enfin, on a étudié numériquement l'effet de la position angulaire d'un défaut sur les coefficients de réflexion et de transmission tout en excitant à différents types d'ondes. La méthode WFE est aussi utilisée pour effectuer le calcul. Cette étude donne un guide à la localisation circonférentielle des défauts dans les tubes. / Long pipelines are widely used in several industries transporting liquid or gas. The guided wave technique is commonly used in this field and it is under continuing progress. In this thesis, an inspection system has been designed and developed. Piezoelectric transducers are employed to generate torsional guided waves that could propagate along the tested pipe; and receive reflected signals from encountered features and damages. Numerical simulations using standard FE and Wave Finite Element methods have been carried out in order to verify and visualize the wave propagation phenomenon in both intact and damaged pipes. A set of tests has been performed on straight and curved pipes with two different materials: PVC and steel. The interaction between generated waves and machined defects has been proven. Numerical and experimental results confirm some specific features in the wave reflection coefficient. Thereafter, an industrial pipeline of about sixty meters long and containing several features has been tested by the inspection system.Recorded signals had submitted some numerical treatments in order to make them interpretable. Processed signals are analyzed to identify defects reflections from structured singularities echoes. The Wave Finite Element Method (WFEM) has been used to construct a numerical database of reflection coefficients from modelled defects by varying thickness, axial and circumferential extents. Calculation was made depending on frequency. The approximation of defect sizes is carried out by sweeping the numerical database to find the suitable combination of dimensions fora given defect. Reflections from structural singularities (elbows, concrete blocks,clamps, and welds) are treated as well by comparing reflection coefficients obtained by WFEM to those evaluated experimentally. Finally, a numerical investigation deals with the effect of defect angular-position on reflection and transmission coefficients while exciting by different types of waves. The spectral method Wave Finite Element has been used to carry out calculation. This study gives guidance to circumferential localization of defects in pipes.

Pendant sa mission, un lanceur est soumis à des excitations large bande, sévères, aérodynamiques, de provenances diverses, qui peuvent mettre en danger la survivabilité de la charge utile et de l’équipement électronique du véhicule, et par conséquent le succès de la mission. Les structures aérospatiales sont généralement caractérisées par l’utilisation de matériaux composites exotiques des configurations et des épaisseurs variantes, ainsi que par leurs géométries largement complexes. Il est donc d’une importance cruciale pour l’industrie aérospatiale moderne, le développement d’outils analytiques et numériques qui peuvent prédire avec précision la réponse vibroacoustique des structures larges, composites de différentes géométries et soumis à une combinaison des excitations aéroacoustiques. Récemment, un grand nombre de recherches ont été menées sur la modélisation des caractéristiques de propagation des ondes au sein des structures composites. Dans cette étude, la méthode des éléments finis ondulatoires (WFEM) est utilisée afin de prédire les caractéristiques de dispersion des ondes dans des structures composites orthotropes de géométries variables, nommément des plaques plates, des panneaux simplement courbés, des panneaux doublement courbés et des coques cylindriques. Ces caractéristiques sont initialement utilisées pour prédire la densité modale et le facteur de perte par couplage des structures connectées au milieu acoustique. Par la suite, la perte de transmission (TL) à large bande des structures modélisées dans le cadre d’une analyse statistique énergétique (SEA) dans un contexte ondulatoire est calculée. Principalement en raison de la complexité géométrique importante de structures, l’utilisation des éléments finis (FE) au sein de l’industrie aérospatiale est souvent inévitable. L’utilisation de ces modèles est limitée principalement à cause du temps de calcul exigé, même pour les calculs dans la bande basses fréquences. Au cours des dernières années, beaucoup de chercheurs travaillent sur la réduction de modèles FE, afin de rendre leur application possible pour des systèmes larges. Dans cette étude, l’approche de SOAR est adoptée, afin de minimiser le temps de calcul pour un système couplé de type structurel-acoustique, tout en conservant une précision satisfaisante de la prédiction dans un sens large bande. Le système est modélisé sous diverses excitations aéroacoustiques, nommément un champ acoustique diffus et une couche limite turbulente (TBL).La validation expérimentale des outils développés est réalisée sur un ensemble de structures sandwich composites orthotropes. Ces derniers sont utilisés afin de formuler une approche couche équivalente unique (ESL) pour la modélisation de la réponse spatiale du panneau dans le contexte d’une approche de matrice de raideur dynamique. L’effet de la température de la structure ainsi que du milieu acoustique sur la réponse du système vibroacoustique est examiné et analysé. Par la suite, un modèle de la structure SYLDA, également fait d’un matériau sandwich orthotrope, est testé principalement dans le but d’enquêter sur la nature de couplage entre ses divers sous-systèmes. La modélisation ESL précédemment développée est utilisé pour un calcul efficace de la réponse de la structure dans la gamme des basses et moyennes fréquences, tandis que pour des fréquences plus élevées, une hybridisation WFEM / FEM pour la modélisation des structures discontinues est utilisé. / During its mission, a launch vehicle is subject to broadband, severe, aeroacoustic and structure-borne excitations of various provenances, which can endanger the survivability of the payload and the vehicles electronic equipment, and consequently the success of the mission. Aerospace structures are generally characterized by the use of exotic composite materials of various configurations and thicknesses, as well as by their extensively complex geometries and connections between different subsystems. It is therefore of crucial importance for the modern aerospace industry, the development of analytical and numerical tools that can accurately predict the vibroacoustic response of large, composite structures of various geometries and subject to a combination of aeroacoustic excitations. Recently, a lot of research has been conducted on the modelling of wave propagation characteristics within composite structures. In this study, the Wave Finite Element Method (WFEM) is used in order to predict the wave dispersion characteristics within orthotropic composite structures of various geometries, namely flat panels, singly curved panels, doubly curved panels and cylindrical shells. These characteristics are initially used for predicting the modal density and the coupling loss factor of the structures connected to the acoustic medium. Subsequently the broad-band Transmission Loss (TL) of the modelled structures within a Statistical Energy Analysis (SEA) wave-context approach is calculated. Mainly due to the extensive geometric complexity of structures, the use of Finite Element(FE) modelling within the aerospace industry is frequently inevitable. The use of such models is limited mainly because of the large computation time demanded even for calculations in the low frequency range. During the last years, a lot of researchers focus on the model reduction of large FE models, in order to make their application feasible. In this study, the Second Order ARnoldi (SOAR) reduction approach is adopted, in order to minimize the computation time for a fully coupled composite structural-acoustic system, while at the same time retaining a satisfactory accuracy of the prediction in a broadband sense. The system is modelled under various aeroacoustic excitations, namely a diffused acoustic field and a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation. Experimental validation of the developed tools is conducted on a set of orthotropic sandwich composite structures. Initially, the wave propagation characteristics of a flat panel are measured and the experimental results are compared to the WFEM predictions. The later are used in order to formulate an Equivalent Single Layer (ESL) approach for the modelling of the spatial response of the panel within a dynamic stiffness matrix approach. The effect of the temperature of the structure as well as of the acoustic medium on the vibroacoustic response of the system is examined and analyzed. Subsequently, a model of the SYLDA structure, also made of an orthotropic sandwich material, is tested mainly in order to investigate the coupling nature between its various subsystems. The developed ESL modelling is used for an efficient calculation of the response of the structure in the lower frequency range, while for higher frequencies a hybrid WFEM/FEM formulation for modelling discontinuous structures is used.

Cette thèse s’interesse au contrôle des flux d’énergie mécanique dans les structures périodiques. Les problèmes de dynamiques des structures considérés dans cette thèse sont abordés sous l'angle d'une description ondulatoire : la réponse forcée d’un système est calculée comme une superposition d’ondes dans la structure, tandis que les modes propres sont interprétés comme des ondes stationnaires.Un des avantages de l’approche ondulatoire est qu’elle permet de réduire de manière importante la taille des problèmes de dynamique. Ceci se révèle particulièrement utile dans le domaine des hautes et moyennes fréquences, où les calculs par éléments finis deviennent très coûteux en temps à cause du grand nombre de degrés de liberté nécessaire à la convergence du modèle. Afin de contourner ce problème, cette thèse s'appuie sur la méthode des éléments finis ondulatoires (Wave Finite Element Method (WFEM)). Une des principales améliorations proposées est l’utilisation de plusieurs méthodes de synthèses modales (Component Mode Synthesis (CMS)) pour accélérer l’analyse des guides d’ondes généraux en présence d’amortissement ou de matériaux piézo-électriques. Les erreurs numériques restent faibles du fait de l’utilisation d'une base de projection réduite constituée d'ondes propagatives. Une autre contribution est le procédé de modélisation multi-échelle pour les assemblages de structures périodiques et non-périodiques. L’idée principale est de modéliser les parties non-périodiques par la méthode des éléments finis, et les parties périodiques par WFEM. Les interactions entre les différentes sous-structures sont modélisées par des coefficients de réflexion ou des impédances mécaniques. Ces travaux réalisent une extension de la WFEM à des structures plus complexes et plus proches des applications industrielles. Un autre intérêt de la vision ondulatoire est qu’elle mène à de nouvelles idées pour le contrôle des vibrations. Dans cette thèse, des matériaux piézo-électriques et des circuits de shunt, distribués de façon périodique sont utilisés afin de modifier artificiellement la propagation des ondes grâce au couplage électromécanique. Un nouveau critère, nommé « Wave Electromechanical Coupling Factor (WEMCF) », est proposé pour évaluer, en termes énergétiques, l’intensité du couplage entre le champ électrique et le champ mécanique lors du passage d'une onde. Ce facteur peut être obtenu à partir des caractéristiques ondulatoires obtenues par la WFEM. On montre que le WEMCF est fortement lié à l'atténuation dans le guide d’ondes piézo-électrique. La conception des paramètres géométriques et électriques peut être ainsi être effectuée séparément. Ce principe est appliqué à la réduction des vibrations d’une poutre encastrée. Le WEMCF est utilisé comme fonction objectif pour l'optimisation durant la conception géométrique, la masse totale de matériau piézo-électriques étant contrainte. Un circuit à capacité négative est utilisé pour élargir le band-gap de Bragg. La stabilité du système est prise en compte comme une contrainte sur la valeur de cette capacité. Les vibrations sont localisées et facilement dissipées par l’introduction d’absorbeurs sur la frontière. Ce procédé de conception basée sur une approche ondulatoire aboutit à des solutions stables, légères, et insensibles aux conditions aux limites dans une large gamme de fréquence. Par conséquent, il est prometteur pour analyser les structures en moyenne et haute fréquence où il est difficile d’accéder aux informations modales exactes. / This thesis describes analysis and control approaches for the vibration and energy flow through periodic structures. The wave description is mainly used to address the structural dynamic problems considered in the thesis: forced response is calculated as the superposition of the wave motions; natural modes are understood as standing waves induced by the propagating waves that recover to the same phase after traveling a whole circle of the finite structure. One advantage of the wave description is that they can remarkably reduce the dimensions of structural dynamic problems. This feature is especially useful in mid- and high frequencies where directly computing the full Finite Element Method (FEM) model is rather time-consuming because of the enormous number of degree-of-freedoms. This thesis extends one widely used wave-based numerical tool termed Wave Finite Element Method (WFEM). The major improvements are the use of several Component Mode Synthesis (CMS) methods to accelerate the analysis for general waveguides with proportional damping or piezoelectric waveguides. The numerical error is reduced by using the proposed eigenvalue schemes, the left eigenvectors and the reduced wave basis. Another contribution is the multi-scale modeling approach for the built-up structures with both periodic and non-periodic parts. The main idea is to model the non-periodic parts by FEM, and model the periodic parts by WFEM. By interfacing different substructures as reflection coefficients or mechanical impedance, the response of the waveguide is calculated in terms of different scales. These two contributions extend WFEM to more complex structures and to more realistic models of the engineering applications.Another benefit of the wave perception is that it leads to new ideas for vibration control. In this thesis periodically distributed piezoelectric materials and shunt circuit are used to artificially modify the wave properties by electric impedance. A novel metrics termed the Wave Electromechanical Coupling Factor (WEMCF) is proposed, to quantitatively evaluate the coupling strength between the electric and mechanical fields during the passage of a wave. This factor can be post-processed from the wave characteristics obtained from WFEM through an energy formula. We show that WEMCF is strongly correlated to the best performance of the piezoelectric waveguide. Hence the design for the geometric and electric parameters can be done separately. An application is given, concerning the vibration reduction of a cantilever beam. WEMCF is used as an optimization objective during the geometric design, when the overall mass of the piezoelectric materials is constrained. Then the negative capacitance is used with a stability consideration to enlarge the Bragg band gap. The vibration is localized and efficiently dissipated by few boundary dampers. The wave-based design process yields several broadband, stable, lightweight and boundary condition insensitive solutions. Therefore, it is promising at mid- and high frequencies where exact modal information is difficult to access.